垂直轴风力机翼型涡流噪声的数值分析

为了了解垂直轴风力机翼型涡流噪声特性,以LUT翼型为研究对象,首先利用Fluent进行流场分析,流场计算选用DES湍流模型,再结合Lighthill声类比方法计算翼型周围声场,将数值模拟计算得到的气动特性相关数据与该翼型的风洞试验结果作对比分析,同时分析了不同攻角对该翼型气动噪声特性的影响,最后研究了在攻角为8°时不同雷诺数对该翼型的声压级指向性特征影响.结果表明:数值计算所得气动数据与风动试验数据拟合良好,建立的仿真模型、网格质量和边界条件合理有效;随攻角增加,翼型涡脱落从尾缘向前缘推进,同时涡流脱落强度增大,气动噪声增强;随着雷诺数的增加,翼型四周声压级先增加后减小;雷诺数与声压级关联较大,控制叶片雷诺数有助于降低叶片噪声,为该翼型适用于低噪声垂直轴叶片提供理论基础.     

大型风电机组叶片翼型的设计方法

为解决大型风电叶片气动性能和结构强度的矛盾.基于对翼型选择和改型设计方法的分析,提出翼型结构系数k,以系数k为界,将叶片分为内圈和外圈两区域.对于内圈区域的翼型以结构特性为主.通过改型设计提高叶片的强度,而此区域对气动性能的影响较小;靠近叶尖端的叶片外圈区域应以最大限度发挥翼型的空气动力特性作为主要设计目标.针对普通航空翼型在大型风电叶片内圈应用的局限,采用加厚翼型后缘的方法,较好地克服了低雷诺数下气流提前分离的问题,同时能显著地加强叶片的结构强度,降低单位体积质量,解决以往设计过程中叶片结构与其气动性能的部分矛盾.     

射流技术对DU翼型气动性能影响的数值模拟

提出改善翼型气动特性的方法,可用于提升农用小型水平轴风力机的功率。使用计算流体力学的方法进行研究,选取风力机专用翼型DU91-W2-250建立二维前缘射流数值模型,采用适合外流场计算与混合流动的两方程湍流模型SST k-ω研究非定常与定常射流情形下翼型的气动性能。射流动量系数C_μ在0.004～0.025的范围区间内前者比后者有8.84%～67.88%的升力系数增量提升,但升力系数存在明显周期波动;非定常射流升力响应时间要明显长于定常射流升力响应时间,随C_μ上升前者增加22～365 ms的延迟,呈现非线性趋势,后者增加8～48 ms的延迟,呈现线性趋势。对流场定性分析指出,非定常射流对气流扰动作用更明显,翼型吸力面气流流动呈现周期特性;定常射流持续向翼型吸力面注入能量,升力系数增量维持比较稳定,在相同C_μ下前者大攻角气流分离抑制能力要高于后者,可显著改善翼型的失速特性。     

基于STAR CCM+的轴流叶片弯掠对气动性能影响的研究

轴流叶片弯掠设计可以改善风机流场,优化轴流风机的气动性能。为了探究叶片弯掠设计对风机气动性能的影响,用控制曲线描述轴流风机翼型参数和弯掠值沿着叶高方向的变化,实现了轴流叶形的参数化。在STAR CCM+软件中建立CFD模型,对不同弯掠组合的轴流风机的气动性能进行数值模拟,对叶片表面静压分布以及风机静压-风量性能曲线进行了分析,讨论了轴流叶形弯掠设计对风机气动性能的影响,为轴流风机的优化提供了依据。     

Gurney襟翼对圆弧板翼型气动性能影响的数值模拟

为了分析Gurney襟翼对圆弧板翼型气动性能的影响,采用Fluent软件对无襟翼和带有不同高度Gurney襟翼的圆弧板翼型进行数值模拟.比较它们在不同攻角下性能的差异,分析其周围流场分布的变化,探究Gurney襟翼的增升原理.结果表明:Gurney襟翼改善了圆弧板翼型附近流场的分布,使其升力得到明显提高,并且襟翼高度越大,升力增加得越多;阻力在小攻角时略有减小,大攻角有所增大.在这两者共同影响下,翼型的升阻比在小攻角时获得较好提升.其中,襟翼高度为2%翼型弦长时,增升性能最好.流场中出现的卡门涡街和角涡是Gurney襟翼能够增升的关键因素.     

离心式叶轮三维反问题设计和数值计算

为解决离心式叶轮传统设计方法主要依赖于设计者经验以及设计周期较长等问题,采用三维反问题设计方法,根据给定的流场进行叶轮形状的设计,从而提高设计过程对叶轮性能的控制能力.三维反问题设计方法基于无黏有势流假设,将三维速度场分解为周向平均速度和周期速度进行求解,实现了在二维轴面流道上叶片形状和流场的三维计算.三维叶片形状根据速度在叶片表面满足滑移条件计算得到,同时获得该叶轮形状下其内部三维流场的计算结果.采用自编三维反问题设计程序进行了离心式叶轮的设计计算,并利用三维定常湍流数值计算技术对设计结果进行了流场模拟和性能评价,流场的模拟结果与设计方法计算结果定性吻合,验证了设计方法的有效性.研究结果表明：将三维反问题设计方法和三维湍流数值计算技术结合可有效缩短设计周期,提高设计质量,并可用于各种叶轮机械的设计.     

垂直轴风力机叶片动态失速数值模拟

利用数值计算方法研究了一种典型的大高径比垂直轴风力机叶片动态失速现象。在验证数值计算方法可靠的基础上,结合速度矢量图和涡量图,研究了8 m/s风速时风力机在不同尖速比下叶片动态失速现象以及风轮尺寸改变时风轮动态失速流场及其对风力机功率系数的影响规律。研究表明,尖速比过低,增大弦径比和叶片数均导致叶片动态失速和气流分离呈现加剧趋势,削弱风力机的气动性能。对用于城市风力发电的大高径比垂直轴风力机,应使其在最佳尖速比下运行,同时控制弦径比在0.2~0.4之间,叶片数为3或4,以获得较好的气动性能。     

射流混药装置二维和三维流场对比分析

为了探索射流混药装置的设计方法和试验方法,从数值模拟和试验研究两方面对射流混药内部流场进行了对比分析.建立了射流混药装置的三维模型,且将射流混药装置侧向农药入口等效为环向入口建立了其二维轴对称模型,分别确定了二维轴对称流场和三维流场的数值模拟方案,采用CFD软件Fluent对其流场进行了数值计算,并比较了二维轴对称模型与三维模型完成计算的CPU时间,结果表明二维轴对称模型比三维模型的计算效率高64％.搭建了混药试验台,测量了射流混药装置流动性能参数.试验研究的测量结果与数值模拟方案的计算结果对比确证表明:二维轴对称模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为7.41％和4.14％;三维模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为5.13％和3.41％,这表明确定的射流混药装置二维轴对称模型和三维模型的数值模拟方案均可用于工程计算.     

射流混药装置二维和三维流场对比分析

为了探索射流混药装置的设计方法和试验方法,从数值模拟和试验研究两方面对射流混药内部流场进行了对比分析.建立了射流混药装置的三维模型,且将射流混药装置侧向农药入口等效为环向入口建立了其二维轴对称模型,分别确定了二维轴对称流场和三维流场的数值模拟方案,采用CFD软件Fluent对其流场进行了数值计算,并比较了二维轴对称模型与三维模型完成计算的CPU时间,结果表明二维轴对称模型比三维模型的计算效率高64%.搭建了混药试验台,测量了射流混药装置流动性能参数.试验研究的测量结果与数值模拟方案的计算结果对比确证表明：二维轴对称模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为7.41%和4.14%;三维模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为5.13%和3.41%,这表明确定的射流混药装置二维轴对称模型和三维模型的数值模拟方案均可用于工程计算.     

叶片式抛送装置气流流场数值模拟与优化

应用计算流体力学软件Fluent对9R-40型揉碎机叶片式抛送装置内部的三维气流流场进行了数值模拟.并对计算出的出料直管处的气流速度与试验值进行了比较,检验了数值模拟的可靠性.同时,对其叶片数、叶片倾角、抛送外壳形状及出口处倒角等几何参数的不同变化作了对比模拟,得出4叶片、圆形外壳、后倾叶片更有利于抛送.且出口处圆弧半径不宜太大.     

热能发生器叶型优化及性能

为了提高热能发生器的水力性能,将热能发生器的工作轮叶片结构由等厚直叶片改造为NACA翼型叶片.运用数值模拟方法对具有不同叶型的叶片在不同转速、不同叶片倾角、不同叶片数下的湍动能耗散率和力矩变化规律进行分析,建立了不同叶片形式、叶片数、叶片倾角的多个数学模型.研究结果表明:NACA翼型叶片在不同转速、不同叶片倾角、不同叶片数下的湍动能耗散率和力矩均大于等厚直叶片,能减轻热能发生器工作腔内液体流动产生的液流角偏离程度;随着转速增大,NACA翼型叶片与等厚直叶片的力矩差值逐渐扩大,液流偏离损失进一步减小,相对弯度较大的NACA6412翼型产生的湍动能耗散率最大,液体流动更剧烈,在3 000 r/min的高转速下产生的力矩比等厚直叶片的大39.2%;当叶片倾角从35°增大到65°时,NACA0012和NACA2412翼型叶片力矩逐渐减小,NACA4412和NACA6412翼型叶片力矩值先增大后减小;不同叶型的工作轮叶片最优叶片数组合不同.     

柔性翼型主动控制与气动特性分析

为了降低风力机大型化带来的叶片长度与重量增加导致的疲劳载荷,改善叶片气动性能,以尾缘摆角为控制变量,借助Fluent中的UDF接口,采用C语言编制控制程序,实现了翼型柔性变形;分析了原始翼型与尾缘柔性变形后翼型的静态升力特性和静态阻力特性;对比了攻角变化与摆角变化对翼型气动特性的影响;研究了摆动周期内的柔性翼型表面静压分布及其动态升阻特性变化规律.结果表明:与原始翼型相比,适当的尾缘变形可增大升力系数,减小阻力系数,从而更加高效地实现流场主动控制;翼型尾部柔性变化使得翼型压力面和吸力面功能交替变化,可实现对整个翼型升阻特性的控制.     

不同翼型前置导叶正预旋对离心泵性能影响

为了优化离心泵运行工况调节,运用叶轮机械设计和前置导叶预旋调节的基本理论,在整流片和Gottingen-364翼型的基础上,设计出两种不同翼型的前置导叶预旋调节装置,研究了不同翼型前置导叶正预旋对离心泵水力特性的影响.试验结果表明：对于单吸离心泵,适当的前置导叶正预旋调节角度选择能够达到离心泵增效节能的效果.与无导叶工况相比,等厚直叶片使离心泵效率最大提高205％,功率消耗最多节省635％;Gottingen弯叶片使离心泵效率最大提高234％,功率消耗最多节省653％;两者都减小了扬程,但影响程度较小.等厚直叶片在两个预旋角度下最高效率点都往小流量区偏移到172 m3／h处;对于Gottingen弯叶片,20°预旋时,最高效率点往小流量区偏移到172 m3／h,40°预旋时,最高效率点往小流量区偏移到190 m3／h,两个预旋角度高效区都得到了扩大.     

垂直轴风力机动态特性及气动性能

垂直轴风力机流场属典型的非定常大分离流动,因其气动性能复杂,采用工程气动模型会有较大误差.为了研究垂直轴风力机动态失速与翼型附着涡的形成与发展,针对4种不同厚度的NACA对称翼型系列,基于Fluent软件的滑移网格技术,并选用S-A湍流模型和基于压力的Simple算法对H型垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,得到了风轮旋转中动态失速相位角范围,较好地解释了小叶尖速比下翼型多处于动态失速区的流动机理.同时,提出了升阻系数计算方法,计算得到了该4种翼型系列的叶片扭转力矩、风力机功率和风能利用系数随叶尖速比变化规律.研究结果表明,风力机运行中翼型的动态与静态特性存在较大差别,翼型厚度对风力机扭转力矩、功率和风能利用率具有较大影响.故在进行垂直轴风力机设计时应综合考虑垂直轴风力机的翼型厚度等几何参数与旋转等动态参数对其气动特性的影响.     

具有导流板直线翼垂直轴风力机气动特性分析

为了改善直线翼垂直轴风力机的气动特性,通过在风力机外部安装平板型导流板,用以改变来流方向,改善叶片周围流动情况,从而提升风力机的气动特性.以采用NACA0018翼型的4叶片小型直线翼垂直轴风力机为对象,在风力机外部均匀安装了6枚平板型导流板,采用二次正交旋转设计方法,对导流板的宽度、角度和与风力机距离进行研究.以平均静态力矩为指标,通过数值模拟研究得到一组最优的导流板结构参数,并对静态流场进行了分析.根据数值模拟得到的最优导流板结构参数,制作了导流板及风力机模型,进行了风洞试验.结果表明:导流板的安装有效提升了直线翼垂直轴风力机的启动性能和气动性能.在10 m/s风速下,与无导流板的风力机相比,有导流板的风力机最大静力矩系数提升了35.6%,功率系数提升了39.5%.结论可为采用导流板来提升风力机性能的研究提供有益的参考.     

叶片数对尾缘加弯板垂直轴风力机功率影响数值模拟

为了探究叶片数量对叶片尾缘加装弯板直线翼垂直轴风力机气动特性的影响,通过不同叶片数量下直线翼叶片尾缘加弯板对垂直轴风力机叶片周围流场改善情况的对比,分析其气动特性变化.选取NACA0018直线翼型作为研究对象,利用数值模拟计算7种弯板长度下,2,3,4这3种叶片数量下的直线翼垂直轴风力机动态输出特性和静态起动特性.研究结果显示:该类升力型垂直轴风力机的气动特性受到叶片数量和弯板长度的综合影响,弯弦比的增加能够提升风力机的阻力性能,但会弱化因叶片数量增加导致风力机产生的功率系数的差别;在不同叶片数量下,适当弯板长度对风力机静态起动性能具有优化作用,但其起到优化作用的方位角不同,且2叶片时优化效果最佳,平均转矩系数提升40%.该研究为垂直轴风力机叶片尾缘的设计与优化提供依据.     

直线翼垂直轴风力机静态流场数值模拟与可视化试验

为研究翼型对直线翼垂直轴风力机启动特性的影响,选取了厚度相似的正装非对称翼型S809与通用对称翼型NACA0018进行两叶片垂直轴风力机的对比研究.首先,运用数值模拟的手段得到采用2种翼型风力机的周期静态力矩曲线,取得二者力矩差异较大的特定方位角,并且进一步获得特定方位角下的涡量图和矢量图.然后通过可视化试验得到叶片周围流场矢量图,并将其用来验证模拟结果的准确性.继而结合涡量图和矢量图,对2种风力机叶片周围的旋涡和流动变化情况进行分析.计算结果表明:2种翼型的力矩曲线随方位角变化规律一致,NACA0018翼型的启动性要好于正装S809翼型;叶片尾流的旋涡使流场变得不稳定,造成能量损失;2种翼型叶片尾流均有不同程度的旋涡产生,使流场变得不稳定,相比NACA0018翼型,正装S809翼型叶片后部的剪切流动更强,产生的旋涡更近,对叶片启动性的影响也更大.     

用于冷却塔的超低比转数混流式水轮机设计

工业冷却塔的循环冷却水出口一般具有一定的富余水头（4~15m）。利用冷却塔的富余水头,开发一种超低比转数混流式水轮机,代替冷却塔中风扇电动机,可以达到节能的目的。结合冷却塔水轮机工作环境特点,进行了超低比转数混流式小水轮机全流道三维非定常数值模拟,重点对超低比转数小水轮机转轮叶片设计与优化。为了尽量减少水轮机尺寸,在结构设计方面提出金属梯形蜗壳和单列环形导叶。通过数值模拟对比分析确定最优性能的水轮机方案进行物模试验。通过物模试验证明设计的超低比转数混流式节能水轮机尺寸满足了冷却塔要求,效率高,性能稳定。     

直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律.叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线.动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小.比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广.计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性.